Formas alotrópicas del hierro y sus combinaciones con el carbono (página 2)

En la figura 2 se muestra la curva de enfriamiento del hierro puro, en la que se ven las transformaciones alotrópicas del mismo. El punto critico a 1535° C, se debe a la cristalización primaria del hierro

4.- ANÁLISIS DE LA CURVA DE FORMAS ALOTRÓPICAS DEL HIERRO PURO.

En el intervalo entre los 1535 °C y 1390 °C, el hierro tiene la red cristalina "cúbica centrada en el cuerpo"(b.c.c por sus siglas en inglés), con sus distancias interatómicas(parámetros) iguales a 2.93°A ( Ángstrom, 1 °A = 10-8 cm.), y se denomina hierro d(Fed). A los 1390°C, se realiza la reestructuración de la red cúbica centrada en el cuerpo, en la red cúbica centrada en las caras (cristalización secundaria), con sus parámetros más grandes e iguales a 3.65 Ángstrom, llamado hierro g(Feg). En el intervalo entre 1390 y 910 °C, el hierro se encuentra en la forma alotrópica (. A la temperatura de 910 °C, la red cúbica centrada en las caras Fe(, se transforma en la red cúbica centrada en el cuerpo Fecon el parámetro de la red menor que las otras dos e igual a 2.90 °A; esto nos da a entender que el hierro, al igual que todas las sustancias, al enfriarse se contrae. A la temperatura de 768ºC, la red del hierro es cúbica centrada en el cuerpo, pero con su parametro disminuyendo a 2.88ºA,denominado hierro a(Fea)

El tramo horizontal en la curva de enfriamiento a 768°C (A2), no está ligada con el cambio de estructura de la red (salvo que las distancias interatómicas disminuyen de 2.90 a 2.88 angstroms), sino con el surgimiento de propiedades magnéticas en el hierro a temperaturas menores. A temperaturas superiores a 770°C, el Feβ es no magnético.

El cambio estructural de la red cristalina del hierro, trae consigo la modificación de algunas otrtas de sus propiedades: por ejemplo el Fea casi no disuelve el carbono; el Fea lo disuelve hasta en 2%, y el Fey lo disuelve hasta en 0.1%.

5.- ALEACIONES

Se denomina aleación o aleación metálica, a una sustancia que posee propiedades metálicas y que está compuesta de dos o mas elementos, uno de ellos metal y el otro puede ser otro metal o un no metal. El método ordinario de preparación de las aleaciones es la fusión conjunta (o sea la mezcla de los dos elementos en estado de fusión), pero a veces se utiliza la sinterización, la electrólisis o la sublimación.

En la mayoría de los casos, los componentes en estado de fusión que forman parte de la aleación son totalmente solubles el uno en el otro, es decir, forman una solución liquida en la que los átomos de los distintos elementos, de manera mas o menos uniforme están mezclados entre si. Cuando solidifican, estas soluciones líquidas, pueden formar ya en estado sólido, los siguientes tipos de aleaciones:1) Soluciones sólidas, 2) Compuestos químicos 3) Mezclas mecánicas.

5.1) Aleaciones que son soluciones sólidas.

Una aleación es una solución sólida, cuando los átomos del elemento soluto se introducen en la red cristalina del elemento disolvente sin modificar su forma. La microestructura (o sea la vista al microcopio de los granos) de una solución sólida, presenta granos homogéneos también parecidos a los granos del elemento disolvente, y por medio del análisis químico pueden identificarse las diferentes sustancias; por lo tanto las soluciones sólidas son monofásicas ya que solo tienen un tipo de granos.

Se tiene dos tipos de soluciones sólidas: Las soluciones sólidas de sustitución, que son aquellas en las que los átomos del elemento disuelto (soluto) ocupan los nudos de los átomos del elemento disolvente en su red cristalina, sin modificarla, siendo ambos casi del mismo tamaño, y las soluciones sólidas intersticiales las cuales son aquellas en las que los átomos del elemento soluto se sitúan en los intersticios, entre los átomos del elemento disolvente, siendo el tamaño de los átomos del elemento disuelto aproximadamente de la mitad del tamaño de los átomos de este último. En la figura 3, se presenta la disposición de los átomos (iones) en la estructura cristalina de los dos tipos de soluciones sólidas: las de sustitución y las intersticiales. Las aleaciones hierro carbono se presentan siempre como soluciones sólidas intersticiales, y ellas son la Ferrita que es hierro a con carbono intersticial y la Austerita, que es hierro ? con carbono intersticial.

5.2) Aleaciones que son compuestos químicos

La particularidad característica de un compuesto químico es la formación de una red cristalina distinta a las de los elementos constituyentes y la modificación notable de todas las propiedades. En el caso de las aleaciones hierro carbono, el compuesto químico que se forma es la Cementita o Carburo de Hierro; fórmula química Fe3 C, la cual se presenta cuando la concentración del carbono en el hierro es de 6.67%.

5.3) Aleaciones que son mezclas mecánicas.

Si los elementos que entran en la composición de la aleación no se disuelven el uno en el otro en estado sólido, y no reaccionan químicamente dando lugar a la formación de un compuesto químico, entonces dichos elementos forman mezclas mecánicas. En este caso, los átomos de cada elemento forman redes cristalinas separadas y por lo tanto granos separados y las propiedades de la aleación resultan intermedias entre las de los elementos que la constituyen; de tal manera que si se tiene mas abundancia de un elemento que de otro, las propiedades de la aleación se parecen mas a las del elemento mas abundante y viceversa. Las mezclas mecánicas que se forman en las aleaciones hierro-carbono son: la perlita y la ledeburita; la perlita se forma durante el enfriamiento lento a partir de la austenita a la temperatura constante de 727 º C; ya en estado sólido, en el área de los aceros, denominándose estos como aceros eutectoides cuando el contenido de carbono es de 0.8%, el grano de perlita esta constituido por una estratificación alternada de ferrita y cementita. La ledeburita se forma a la temperatura constante de 1147º C, a partir de la aleación en estado líquido, durante la solidificación, en el área de las fundiciones o hierros fundidos, llamándoseles fundiciones eutécticas aquellas que contienen 4.3% C; el grano de ledeburita esta caracterizado por una estratificación alternada de austenita y cementita. Si a los aceros que contienen 0.8 %C, se les llama aceros eutectoides, a los que contienen menos de 0.8% C, se les denomina aceros hipoeutectoides y están formados por granos de perlita y ferrita, los que contienen mas de 0.8% C se le llama aceros hipereutectoides, y está formados por granos de perlita y cementita Las fundiciones con menos de 4.3% C se les denomina hipoeutécticas, las cuales están formadas por granos de ledeburita y perlita, las que contiene más de 4.3% se les llama hipereutécticas y están formadas por granos de ledeburita y cementita

6.- CARACTERISTICAS DE LAS ESTRUCTURAS QUE SE FORMAN EN UN ENFRIAMIENTO LENTO DE LAS ALEACIONES HIERRO CARBONO

6.1. Ferrita

De acuerdo con lo explicado líneas arriba, la solución sólida intersticial de carbono en el hierro se llama ferrita. El hierro casi no disuelve carbono, la solubilidad máxima de carbono en el hierro es de 0.025% a una temperatura de 723º C y de 0.0025% a 20º C. La solubilidad del carbono en el hierro d es de 0.1% a 1490º C. La ferrita d es estable únicamente a temperaturas muy elevadas y no tiene significado práctico en la ingeniería.

La ferrita es la estructura mas blanda y dúctil de las aleaciones hierro- carbono, es magnética desde la temperatura ambiente hasta 768º C. Las propiedades promedio son: resistencia a la rotura de 28 Kg/mm2, elongación 40% en 2 pulg., de longitud, dureza 90 Brinell, a continuación figura 4, se presenta la red cristalina de la ferrita

En la figura 5, se presenta el empaquetamiento de átomos en la ferrita, en forma de hierro a (no se muestran los átomos de carbono)

Al microscopio los granos de ferrita se observan como a continuación, figura 6.

6.2. Austenita

La solución sólida intersticial del carbono en el hierro ? se llama austenita. La austenita posee buena ductilidad y por lo tanto buena formabilidad. Esta estructura tiene una solubilidad del carbono de hasta 2.11%C a 1148º C. Gracias a que la estructura cúbica centrada en el cuerpo (f. c .c., por sus siglas en inglés) tiene posiciones intersticiales más amplias que la ferrita, se facilita que se alojen los átomos de carbono y otros como níquel y manganeso, lo que le imparte varias propiedades al acero. Generalmente la austenita no es estable a la temperatura ambiente. Las propiedades promedio son: resistencia a la rotura de 100 Kg/mm2; elongación 10% en 2 pulg.; dureza, de 300 Brinell aproximadamente; y tenacidad alta. No es magnética.

6.3. Cementita

Como se había mencionado, el hierro con el carbono forma también una combinación química, el carburo de hierro Fe3 C, llamada cementita. El contenido de carbono en la cementita es de 6.67%.

La cementita tiene una red cristalina ortorrómbica compleja. La temperatura de fusión de la cementita no se ha podido establecer con exactitud y se considera aproximadamente igual a 1550º C. A una temperatura inferior a los 217º C la cementita es ferromagnética. La cementita (del latín cementum que significa "astillas de piedra"), también se conoce como carburo. Este carburo no debe ser confundido con otros carburos que se utilizan en dados, herramientas de corte y abrasivos, como el carburo de tungsteno, el carburo de titanio y el carburo de silicio.

La cementita es un compuesto intersticial muy duro y frágil, con una dureza de 700 Brinell y tiene una influencia significativa en las propiedades de los aceros, tiene una baja resistencia a la tensión, pero tiene una alta resistencia a la compresión, es la estructura mas dura que se presenta en las aleaciones hierro- carbono. En las micrografías, la cementita se presenta en forma de una red clara alrededor de los granos de la otra fase sólida que exista en la aleación

6.4. Perlita

La perlita es una mezcla mecánica de ferrita y cementita, que contiene 0.8% de carbono, se presenta en el área de los aceros ( los aceros tiene un porcentaje de carbono que va de 0 a 2.14 %)

En todas las aleaciones hierro carbono, debajo de 727ºC a un enfriamiento muy lento, se lleva a cabo la reacción eutectoide (una reacción eutectoide es aquella en la que al enfriarse una fase sólida se transforma en dos fases sólidas nuevas), en la cual, la austenita( una fase sólida) se descompone en una mezcla mecánica muy fina de láminas estratificadas de ferrita (fase sólida nueva) y cementita ( la otra fase sólida nuieva), llamada perlita, la micrografia de la perlita se presenta en la siguiente figura 10 y como se ve tiene tipo huella dactilar. Las propiedades promedio son: resistencia a la tensión, 80 Kg/mm2; elongación, 20% en 2 pulg; dureza de 260 Brinell.

6.5. Ledeburita

Mezcla eutectica de austenita y cementita ( la reacción eutectica se presenta a temperatura constante al enfriar muy lentamente un líquido, obteniendose entónces dos sólidos puros distintos, estos sólidos solidifican alternartivamente, resultando una mezcla muy fina generalmente visible solo al microscopio), contiene 4.3% de carbono, y se lleva a cabo a 1147ºC. Su vista al microscopio es similar al de la perlita. Se presenta en el área de las fundiciones en el rango de porcentajes de carbono de 2.14% a 6.67%C

7.- TRANSFORMACIÓN MARTENSÍTICA

La martensita es la estructura básica del acero templado y se obtiene a partir del enfriamiento rápido de la austenita. En la mayoria de los casos se aspira a obtener en el acero esta estructura debido a que el acero templado a martensita tiene una dureza a de 50-68 Rockwell C, su resistencia a la rotura de 175 a 250 Kg/cm2 y su alargamiento de 2.5 a 0.5%. Es magnética

La martensita tiene una naturaleza que se distingue completamente de otras estructuras y se forma de distinto modo que las estructuras ferrito – cementíticas.

Una particularidad caracteristica de la transformación austenitico -martensítica es que la misma transcurre sin difusión de los atomos. Durante un sobreenfriamiento fuerte, el carbono no alcanza a separase de la solución sólida austenitica en forma de partículas de cementita, como sucede cuando se tiene enfriamiento lento en el que se obtiene perlita (cementita- ferrita). En vez de eso, tiene lugar la rteestructuración de la red del hierro ? en la del hierro a; y entónces los átomos de carbono quedan atrapados en la red del hierro a y por esta razón la distorsionan fuertemente. Esta red cristalina distorsionada se denomina red tetragonal, figura 12; en esta, el parámetro "c" es mayor que "a", y por consiguienete la relación de los parámetros c/a>1. El grado de distorsión es tanto mayor cuanto mas carbono tiene el acero. En consecuencia la martensita no es más que una solución sólida de carbono en el hierro a. En la solución saturada de carbono en hierro a, este no puede tener masde 0.02%, mientra que el contenido de carbono en la martensita es el mismo que en la austenita; o sea mucho mayor (máximo 2.12 % a 1148º C), de modo que la martensita representa una solución sólida sobresaturada.

El cristal de martensita tiene la forma de una lámina delgada, que al microscopio se ven como agujas de distinto espesor , ver figura 13 a continuación.

BIBLIOGRAFIA

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Kalpakjian, Serope, Schmid, Teven R Manufactura, Ingenieria y Tecnologia, Pearson Educación, México, 2002

Autor:

Julio César de Jesús Balanzá Chavarria

Currículo:

M en C. Julio César de Jesús Balanzá Chavarria

Nacimiento: 16 de mayo de 1941, Tampico, Tamaulipas, México.

Jubilado del departamento de Mantenimiento Equipo Dinámico e Instrumentos de PEMEX Exploración Producción de Poza Rica, Veracruz, México.

Docente en la Facultad de Ingenieria Mecánica Eléctrica desde 1974

Docente en el Instituto Tecnológico Superior de Poza Rica durante los últimos siete años

Instructor durante la decada de los sesenta en el Instituto Mexicano del Petróleo en "Mantenimiento a Instrumentos de medición y control"

En el Instituto Mexicano del Petróleo durante la decada de los noventa, encargado de la elaboración de manuales de mantenimiento a equipo de Producción Pemex.

Ocupación actual: Libre para trabajar en cualesquier parte en donde se considere se puedan aprovechar sus servicios

Teléfono: 01 782 82 20081, Poza Rica Veracruz, México

Títulos Obtenidos:

Ingeniero Mecánico Electricista de la Facultad Nacional de Ingeniería de la UNAM

M en C. Diseño Mecánico, Mención Honorífica en el IPN.

Certificante in "Professional Studies In Education" Issued by the Association Of Colleges, the Bradford College and the Warwickshire college of the U.K.

Certificante in "English as a Foreign Languaje" Warwickshire College, U.K.

Libros:

Diseño del Nuevo Alumbrado del parque de Base-Ball en Poza Rica, Veracruz (Tesis Licenciatura UNAM)

"Resistencia de Materiales Teoría y Problemas" Editado por la Universidad Veracruzana.

"Diseño del Balancín Elevador de una Unidad de Bombeo Mecánico Petrolera Mark II" (Tesis Maestría en el IPN)

Seis artículos publicados en edu.red